基于Zigbee 技術(shù)的路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

占華林，徐濤濤，陳如明，葉立穎，張開軒

（江西科技師范大學(xué)，江西 南昌 330013）

隨著國(guó)家推行智能城市建設(shè)計(jì)劃，市政設(shè)施的智能化管控也逐漸提上日程[1]。作為一種重要的市政服務(wù)設(shè)施，路燈的智能化管理與控制水平是智能城市建設(shè)的重要內(nèi)容體現(xiàn)之一。然而傳統(tǒng)的路燈控制方法手段較為單一且信息化水平低，缺少故障自動(dòng)上報(bào)等重要功能，在一定程度上造成了電力資源浪費(fèi)、控制成本上升、路燈控制效率低等問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，本文采用信息化管理手段（Zigbee 無(wú)線組網(wǎng)和片上系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)路燈按線路、按區(qū)域遠(yuǎn)程集中控制與管理，緩解電力供應(yīng)緊張、節(jié)省人力成本、提升路燈公共照明管理水平，減少因路燈照明故障而引起的交通事故，對(duì)促進(jìn)社會(huì)治安管理和維護(hù)有重大意義。

1 路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

設(shè)置若干個(gè)智慧路燈節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心組成的智慧路燈管理系統(tǒng)。路燈節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)利用物聯(lián)網(wǎng)專用片上系統(tǒng)和擴(kuò)展外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)路燈周圍環(huán)境的多種數(shù)據(jù)采集，如車流量、天氣亮暗、故障上報(bào)、行人因素、道路狀況等。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用片上系統(tǒng)CC2430 主芯片設(shè)計(jì)或者采用ARM 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee 組網(wǎng)通信傳到監(jiān)控中心的顯示終端上，路燈管理部門、交通管理部門等政府機(jī)構(gòu)第一時(shí)間了解到路燈運(yùn)行情況，根據(jù)道路實(shí)際狀況，自動(dòng)控制路燈。若遇特殊情況，可以緊急制動(dòng)。

1.2 組網(wǎng)傳輸設(shè)計(jì)

（1）街區(qū)內(nèi)布控路燈節(jié)點(diǎn)：街道按需安裝智能路燈，采用Zigbee 技術(shù)組網(wǎng)，將采集到的數(shù)據(jù)（車流量）傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（空間過(guò)大，可以加裝路由節(jié)點(diǎn)）。該組網(wǎng)方式自由靈活，采集數(shù)據(jù)按需定制。（2）街區(qū)內(nèi)與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)傳輸：街區(qū)內(nèi)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、電力線載波通信技術(shù)、LTE（4G/5G）和WiFi 進(jìn)行組網(wǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)路燈照明系統(tǒng)與監(jiān)控中心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。（3）人機(jī)交互的監(jiān)控中心。設(shè)計(jì)監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件，達(dá)到實(shí)時(shí)了解街區(qū)路燈的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)等目的。

2 路燈智能控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)由遵守Zigbee 協(xié)議射頻模塊CC2530（該芯片集成了射頻收發(fā)模塊、8051 核）、底板模塊和液晶顯示模塊等組成，其底板擴(kuò)展了USB 接口用于燒錄程序，其主要功能是接收路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)或終端節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送的數(shù)據(jù)并在液晶屏顯示溫濕度和光照強(qiáng)度。根據(jù)光照強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制燈的開與關(guān)。

CC2530 無(wú)線單片機(jī)內(nèi)部集成了兩大模塊：80C51 內(nèi)核及無(wú)線收發(fā)RF 射頻，此芯片采用了QFPA 封裝，40Pin，GPIO 引腳21 個(gè)，可以當(dāng)作I/O，ADC 或DAC、定時(shí)計(jì)時(shí)器和通用同步/異步串行接收/發(fā)送器，能夠利用IAR 軟件對(duì)特殊寄存器的位或字節(jié)進(jìn)行設(shè)置或讀取。

2.2 路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上較為相似，只是在軟件模塊部分存在差異。終端節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)采集路燈周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，其由傳感器模塊、Zigbee 協(xié)議射頻模塊CC2530 等結(jié)構(gòu)組成。而在路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主要設(shè)置了溫濕度傳感器SHT10 模塊、光傳感器模塊，使用其來(lái)完成對(duì)溫度、濕度和光照等信息的準(zhǔn)確采集。

其中，溫濕度傳感器SHT10 是一款具有校正功能、可實(shí)現(xiàn)信息數(shù)字化輸出且能耗較低的數(shù)字化傳感器，內(nèi)含有工業(yè)級(jí)CMOS 管和兩個(gè)子模塊（其一為電容式聚合體測(cè)溫模塊，其二為能隙式測(cè)溫模塊），有效地保證了溫濕度傳感器工作過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性。此外，濕度傳感器SHT10 中還設(shè)計(jì)了多達(dá)8 個(gè)獨(dú)立通道和14 位模數(shù)的多路轉(zhuǎn)換器，有效保證了溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度。

具體設(shè)計(jì)如下：光照傳感器通過(guò)CC2530 的P0.4 引腳讀取模擬量，經(jīng)過(guò)片內(nèi)ADC 模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果以2 的補(bǔ)碼形式表示。

3 路燈智能控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 Zigbee 協(xié)議介紹與應(yīng)用

3.1.1 Zigbee 協(xié)議基本介紹

無(wú)線自組網(wǎng)Zigbee 通信協(xié)議是一種距離短、速率低、帶寬窄、能耗低的通信協(xié)議，特點(diǎn)是近距離、自組織、抗破壞、低能耗、低成本、速率低，適合于工廠自動(dòng)化生產(chǎn)和遠(yuǎn)程控制，可以移植到各種嵌入式平臺(tái)里。Zigbee 通信協(xié)議由ZigBee Alliance（Zigbee 聯(lián)盟）定義，先后發(fā)布了多個(gè)版本，但ZigBee 通信協(xié)議的最底層部分（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）是基于IEEE 802.15.4 改寫的，路由ROU層和網(wǎng)絡(luò)NWK 層是由Zigbee 聯(lián)盟定義。借助Zigbee 協(xié)議可以組成大規(guī)模的控制網(wǎng)絡(luò)，如本文的城市路燈智能控制系統(tǒng)，所以在本文應(yīng)用中設(shè)計(jì)了三種類型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：負(fù)責(zé)中心工作的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)Coordinator、負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的路由器節(jié)點(diǎn)Router 和負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)End－Device。

在ZigBee 通信協(xié)議的基礎(chǔ)上組建的無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)中，有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（也可稱其為中心節(jié)點(diǎn)），但可以存在多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)Router 和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)EndDevice，同時(shí)，不同類型節(jié)點(diǎn)承擔(dān)不同的功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要用于負(fù)責(zé)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)、運(yùn)行、硬件初始化和管理路由節(jié)點(diǎn)加入（為路由節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)ID 號(hào)）等程序，但不允許終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入直接加入到中心節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）；路由器節(jié)點(diǎn)Router 起橋梁紐帶作用，主要功能是管理終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，允許終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入（即為終端節(jié)點(diǎn)分配ID 號(hào)）和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，同時(shí)路由節(jié)點(diǎn)按實(shí)際情況也可以采集環(huán)境數(shù)據(jù)；終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的主要功能為采集路燈環(huán)境周圍的數(shù)據(jù)和執(zhí)行上位機(jī)傳來(lái)的命令。

3.1.2 TI Zigbee 協(xié)議棧ZStack

協(xié)議是由協(xié)議棧軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，國(guó)內(nèi)外不少公司提供屬于自己平臺(tái)的Zigbee 協(xié)議棧，但本文里選用了美國(guó)德州儀器公司的協(xié)議棧ZStack 2007/PRO（在CC2530 上實(shí)現(xiàn)），本協(xié)議大體上遵守OSI 軟件規(guī)范。具體來(lái)講：按功能的不同分成了14 個(gè)目錄文件，每個(gè)目錄或文件具體作用如下：（1）App：應(yīng)用層。按用戶的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。（2）HAL：硬件抽象層。這一層分為兩個(gè)子目錄，一個(gè)子目錄是與硬件處理器無(wú)關(guān)的，命名為Common，該目錄包含有與硬件相關(guān)的配置hal_assert.c 和驅(qū)動(dòng)hal_drivers.c 及操作函數(shù)。另一個(gè)子目錄是與硬件處理器相關(guān)的，包含頭文件目錄Include 和功能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的Target 目錄。（3）MAC：數(shù)據(jù)鏈路層。該層的主要功能是物理通信信道避讓功能，包含高層MAC、低層MAC 和頭文件Include 目錄，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層NWK 和物理層PHY 連接功能。另外需要提醒的，數(shù)據(jù)鏈路層的代碼是不公開的，但我們可以以庫(kù)的形式使用。（4）MT：監(jiān)制調(diào)試層。該層的主要功能用于調(diào)試，即通過(guò)串口打印功能調(diào)試各層之間的交互。（5）NWK：網(wǎng)絡(luò)層。用于配置網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)和為APP 層提供函數(shù)接口以供調(diào)用。（6）OSAL：操作系統(tǒng)抽象協(xié)議層，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度和管理。（7）Security：安全層。數(shù)據(jù)加密，保證數(shù)據(jù)的安全性。（8）Services：ZigBee 設(shè)備地址處理函數(shù)目錄，為網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)分配ID 號(hào)。（9）Tools：工具配置目錄，Zigbee 協(xié)議棧相關(guān)信息配置。（10）ZDO：一種集成公共功能的集合，按用戶需求調(diào)用應(yīng)用支持子層的服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)。（11）ZMAC：Zigbee 協(xié)議棧數(shù)據(jù)鏈路導(dǎo)出層接口文件，方便數(shù)據(jù)鏈路層的配置。（12）Zmain：整個(gè)工程的子函數(shù)調(diào)用都集中在入口函main（）里，方便應(yīng)用層功能實(shí)現(xiàn)。

3.2 IAR 開發(fā)環(huán)境介紹

IAR 是一家專注于嵌入式開發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)、開發(fā)公司，公司創(chuàng)建于1983 年，業(yè)務(wù)范圍涵蓋嵌入式的各個(gè)領(lǐng)域，包括嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)環(huán)境搭建、系統(tǒng)測(cè)試等。IAR 公司典型產(chǎn)品代表是IAR Embedded Workbench，集成了編輯、編譯、下載、燒錄等功能，支持C、C++等多種語(yǔ)言，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控、自動(dòng)化控制、航空領(lǐng)域和消費(fèi)領(lǐng)域電子產(chǎn)品等。

IAR EW 開發(fā)環(huán)境支持多種廠商嵌入式處理器的應(yīng)用程序開發(fā)，內(nèi)部集成了多種功能，具有靈活性強(qiáng)、開發(fā)快捷、簡(jiǎn)單高效等特點(diǎn)。另外，IAR EW 開發(fā)環(huán)境具有工程管理功能，適應(yīng)大型工程，按功能進(jìn)行子文件夾管理，極大地方便了不同功能模塊之間的查找，不同種編程語(yǔ)言都有加亮顯示功能。在IAR 開發(fā)環(huán)境中，子工程模塊可以拼接成大工程模塊，但在管理和使用上具有相對(duì)獨(dú)立性，可以分級(jí)分層進(jìn)行描述，還可以使用go to definition 功能查閱底層代碼。

IAR Embedded Workbench 進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)的主要過(guò)程如下：（1）首先針對(duì)不同的硬件平臺(tái)，配置IAR 開發(fā)環(huán)境，如CPU 選型、設(shè)置堆棧大小。（2）編輯源文件。（3）連接目標(biāo)文件，包含調(diào)試選項(xiàng)。（4）對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試直到?jīng)]有錯(cuò)誤。（5）調(diào)試通過(guò)后，重新連接。（6）生成程序代碼，下載。

3.3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.3.1 溫濕度讀取函數(shù)

溫濕度讀取函數(shù)的功能是讀取路燈所處環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)線組網(wǎng)的路由節(jié)點(diǎn)。其內(nèi)容設(shè)置情況如下：

3.3.2 光照度讀取函數(shù)

光照度讀取函數(shù)的功能是讀取光照數(shù)據(jù)并傳送給路由節(jié)點(diǎn)。其內(nèi)容設(shè)置情況如下：

4 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在路燈智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，手工焊接LED 燈電路板（用來(lái)模擬路燈），檢測(cè)線路之間、芯片引腳之間是否出現(xiàn)斷路和短路。使用工具測(cè)試芯片基本功能是否正常。系統(tǒng)加電后，使用萬(wàn)用表檢測(cè)VCC 電壓、示波器檢測(cè)信號(hào)輸出。硬件排除后，加載軟件后進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)，發(fā)現(xiàn)語(yǔ)氣錯(cuò)誤，驗(yàn)證功能。采用LED 燈模擬路燈實(shí)物，當(dāng)光照情況下，路燈便滅，當(dāng)在暗的環(huán)境下，路燈便亮。

在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，檢測(cè)出兩個(gè)問(wèn)題：（1）LED 驅(qū)動(dòng)問(wèn)題：采用IO 引腳無(wú)法直接控制燈的亮與滅，必須讓CC2530的IO 引腳作為控制信號(hào)來(lái)控制開關(guān)三極管或繼電器。（2）GPIO 沖突問(wèn)題：在GPIO 初始化時(shí)，先查看嵌入式CPU 的GPIO 管腳數(shù)，然后按功能進(jìn)行統(tǒng)一分配，絕對(duì)不能出現(xiàn)管腳重復(fù)使用的情況，否則程序達(dá)不到預(yù)期功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合新興的無(wú)線傳輸技術(shù)、片上系統(tǒng)，成功開發(fā)了一套具有高度感知能力的集多種功能為一體的智慧路燈控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)依據(jù)光照亮度遠(yuǎn)程控制路燈亮與滅。在下一步的工作中，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)更多功能，如遠(yuǎn)程單燈控制、定時(shí)照明、定數(shù)照明、智能調(diào)光、主動(dòng)報(bào)警、設(shè)備ID 信息查詢與統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，從而為路燈管理部門提供技術(shù)參考，從而有效提高路燈使用效率，提高智慧城市的建設(shè)水平。